【地学基礎】堆積岩を図解で総まとめ—風化・侵食・運搬・堆積と岩石の分類｜武蔵野個別指導塾

石灰岩とチャートと凝灰岩の置き場所で迷う人へ。流速と粒径のグラフの読み取り、隙間の割合の計算、見分け方の論述を例題で通せば、粒の大きさと材料で岩石名を決める手順が身につくはずです。

よくあるのは、コンビニのイートインでレシートの裏に堆積岩の表を書き始めたところで、ペンが止まる場面です。礫岩・砂岩・泥岩まではすらすら並ぶのに、石灰岩とチャートの行で手が浮き、凝灰岩は火山の話だから火成岩に入れるのではと迷いだします。窓の外の駐車場には砂利が敷かれていて、あの小石も昔は山の一部だったのかと思いながら、紙の上の表は埋まらないまま飲み物だけが減っていきます。ここで足りないのは暗記の量ではなく、石がどこから来て、何を材料に、どう固まったかという道筋です。

この単元を終えると、風化から続成作用までの流れを順に説明でき、流速と粒径のグラフを読み取り、標本の手がかりから岩石名と分類を根拠つきで答えられるようになります。

この単元で押さえること

• 風化：地表の岩石がもろくなって崩れていくことです。鉱物の種類が変わらず割れる物理的風化と、鉱物が溶けたり別の鉱物に変わったりする化学的風化があります。
• 流水の 3 つのはたらき：流れは岩石を削り（侵食）、運び（運搬）、置いていきます（堆積）。どれが起こるかは流速と粒径の組み合わせで決まります。
• 粒径の境目：2 mm と 1/16 mm です。大きい順に礫・砂・泥と呼び、砕屑岩の名前はこの粒径で決まります。
• 続成作用：積もった堆積物が押し固められ、粒の隙間に沈殿した物質でつながって岩石になる過程です。
• 4 つの分類：材料の違いで、砕屑岩・火山砕屑岩・生物岩・化学岩に分けます。
• 見分け方：粒の大きさと形、希塩酸への反応、硬さ、化石の有無を手がかりにします。

火成岩と造岩鉱物の単元で学んだ岩石が地表でどう壊れ、どう別の岩石に生まれ変わるかをたどる単元であり、次に学ぶ地層の読み方と化石の土台になります。

基本の考え方

風化：岩石がもろくなる入り口

地表に出た岩石は、雨や気温の変化にさらされて少しずつもろくなります。これが風化で、しくみから 2 つに分かれます。

物理的風化は、鉱物の種類は変わらないまま岩石が細かく割れていく変化です。水を入れて凍らせたペットボトルがふくらむのを思い出してください。水は氷になると体積が約 1 割ふえるので、岩の割れ目にしみ込んだ水が凍ると、割れ目を内側から押し広げます。花こう岩のようにいろいろな鉱物が集まった岩石では、鉱物ごとに温度による膨張のしかたが違うため、昼と夜の温度差が繰り返されるうちに粒の境目がゆるみ、粒ごとにばらばらになっていきます。植物の根が割れ目を押し広げることもあります。物理的風化は、気温の変化が大きい乾燥地域や、凍結と融解を繰り返す寒冷な地域で進みやすい変化です。

化学的風化は、鉱物が水と反応して溶けたり、別の鉱物に変わったりする変化です。雨水には空気中の二酸化炭素が溶けていて、炭酸飲料をごく薄くしたような弱い酸性を示します。石灰岩の主成分である炭酸カルシウム（CaCO₃）はこの水に少しずつ溶け、式で書くと次のようになります。

CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca²⁺ + 2HCO₃⁻

秋吉台のようなカルスト地形や鍾乳洞は、この反応が長い時間をかけてつくった地形です。また、花こう岩に含まれる長石は水と反応して粘土鉱物に変わりますが、石英は化学的風化に強く、粒のまま残ります。海岸や川の砂に石英の粒が目立つことが多いのはこのためです。化学的風化は、水が豊富で温度の高い地域で進みやすい変化です。

2 つの風化は別々に起こるのではなく、互いを助けます。一辺 2 cm の立方体の岩を一辺 1 cm の立方体 8 個に割ると、表面積は 24 cm² から 48 cm² へと 2 倍になります。割れるほど水に触れる面がふえて化学的風化が進み、もろくなった岩はさらに割れやすくなるという関係です。花こう岩が風化して砂のようになったものは「まさ」と呼ばれます。

流水のはたらき：侵食・運搬・堆積

風化した岩石を運ぶ主役は流水です。図1のように、山地では流れが速く、川底や谷の斜面を削る侵食が強くはたらいて V 字谷をつくります。川が山地を抜けて平野に出ると流れが遅くなり、重い礫から先に置いていくので扇状地ができます。河口では流れがさらに弱まって砂や泥が積もり、三角州ができます。海に出た後も、岸に近いところに砂、沖に向かうほど細かい泥が積もるのが基本の並びです。

粒の運ばれ方は大きさで変わります。礫や粗い砂は川底を転がったり跳ねたりして進み、細かい粒は水に浮かんだまま遠くへ運ばれ、化学的風化で溶けた成分はイオンとして海まで届きます。カップのみそ汁を箸でかき回すと、重い具はすぐ底に戻るのに、細かいみその粒はふわりと舞い上がり、箸を止めてもしばらく濁ったままです。川の中でも同じように、粒が細かいほど遅い流れでも運ばれ続けます。運ばれる間に粒はぶつかり合って角がとれるので、川原の礫や砂岩の粒には丸みがあります。

注意したいのは、粒が細かいほど動き出しやすいわけではないことです。砂より細かい泥は、粒どうしがくっつき合い川底もなめらかになるので、いったん積もると砂より大きな流速でないと削られません。後の例題で、このことをグラフで確かめます。

続成作用：堆積物が岩石になるまで

積もったばかりの砂や泥は、粒の隙間に水を含んでやわらかいままです。その上に次々と堆積物が重なると、重みで粒どうしが押し詰められ、隙間の水が絞り出されます（圧密）。さらに、隙間の水に溶けていた炭酸カルシウムや二酸化ケイ素（SiO₂）が粒のまわりに沈殿し、セメントのように粒をつなぎます（膠結作用、セメント化）。この 2 つを合わせた、堆積物が岩石に変わる一連の過程が続成作用です。マグマが冷えて固まる火成岩とも、高い温度や圧力で鉱物がつくり変わる変成岩とも、でき方が違います。

4 つの分類：材料で分ける

堆積岩は材料によって 4 つに分かれます。砕屑岩は、岩石が砕けた破片が積もって固まった岩石で、粒径によって礫岩・砂岩・泥岩と呼びます。火山砕屑岩は、火山灰や火山礫などの火山砕屑物が積もって固まった岩石です。火山灰が固まったものが凝灰岩で、粒は水に運ばれて丸くなっていないので角ばったものが多く、火山灰の間に大きな火山岩塊が混じると凝灰角礫岩と呼びます。

生物岩は、生物の遺骸が集まってできた岩石です。サンゴ・フズリナ・貝などの炭酸カルシウムの殻や骨格が集まると石灰岩、放散虫などの二酸化ケイ素の殻が集まるとチャート、陸上の植物が埋もれて変化すると石炭になります。化学岩は、水に溶けていた成分が沈殿してできた岩石で、海水や塩湖の水が蒸発してできる岩塩（NaCl）や石こう（CaSO₄・2H₂O）が代表です。石灰岩とチャートには水から沈殿してできたものもあり、この 2 つは生物岩にも化学岩にも顔を出します。

見分けるときは、粒が見えるか、粒が丸いか角ばっているかをまず見ます。石灰岩は希塩酸をかけると二酸化炭素の泡を出し、鉄くぎで傷がつきます。チャートは泡を出さず、鉄くぎで傷がつかないほど硬い岩石です。石炭は黒くて軽く、岩塩は水に溶けます。

例題で解き方を確かめる

例題1　風化の種類を見分ける

次の A〜D を、物理的風化と化学的風化に分けなさい。

• A　岩の割れ目にしみ込んだ水が凍り、割れ目が広がった。
• B　石灰岩の台地の地下に、雨水のはたらきで鍾乳洞ができた。
• C　花こう岩が、昼夜の温度差の繰り返しで粒ごとにばらばらになった。
• D　花こう岩の中の長石が、水と反応して粘土鉱物に変わった。

1. 変化の前後で鉱物の種類が変わったかどうかを、1 つずつ確かめます。分類の基準は崩れ方の激しさではなく、物質の変化だからです。
2. 鉱物はそのままで形だけが変わったものを選びます。氷の力で割れる A と、温度差で粒が離れる C がこれにあたります。
3. 溶ける、または別の鉱物に変わるものを選びます。炭酸カルシウムが溶ける B と、長石が粘土鉱物に変わる D がこれにあたります。

答え：物理的風化は A と C、化学的風化は B と D。

例題2　流速と粒径のグラフを読む

図2は、川底の粒が動き出す流速（赤の曲線）と、流れている粒が沈み始める流速（紺の曲線）を、粒径ごとに模式的に示したものです。赤より上が侵食、紺より下が堆積、その間が運搬の範囲です。粒径 0.02 mm の P、0.5 mm の Q、20 mm の R は、どれも流速 30 cm/s の位置に置いてあります。

• 1. 流速 30 cm/s のとき、P・Q・R はそれぞれどの範囲にあるか答えなさい。
• (2) 川底に P・Q・R の粒が混ざっている。流れが遅い状態から少しずつ速くなるとき、最初に動き出すのはどの粒か答えなさい。

1. 軸の目盛りを確かめます。どちらの軸も 1 目盛りで 10 倍になる対数の目盛りなので、数値の差ではなく位置で読む必要があるからです。
2. 1. は点と曲線の上下を比べます。P は赤より下で紺より上なので運搬、Q は赤より上なので侵食、R は紺より下なので堆積です。点の位置がそのまま、その粒に何が起こるかを表しています。
3. P の意味を言葉に直します。水中にある泥の粒は運ばれ続けますが、川底に積もった泥はこの流速では削られません。運搬の範囲では、動いているものは動き続け、止まっているものは止まったままだと読むからです。
4. (2) は赤の曲線の高さを比べます。動き出す流速が低いほど先に動くので、3 つの粒の真上で赤の曲線を読みます。いちばん低いのは Q の砂で、その次が P の泥、最も高いのは R の礫です。泥が砂より小さいのに後になるのは、粒がくっつき合うためです。

答え：(1) P は運搬、Q は侵食、R は堆積。(2) Q（砂）。

例題3　実際の粒径と続成作用の縮みを計算する

• 1. 倍率 20 倍の写真で直径 8 mm に写っている粒がある。実際の粒径を求め、この大きさの粒が集まって固まった砕屑岩の名前を答えなさい。
• (2) 厚さ 100 m の泥の層があり、隙間の割合は 60% である。続成作用によって隙間の割合が 20% になった。粒の体積は変わらず、層は厚さの方向にだけ縮むものとして、固まった後の厚さを求めなさい。

1. 写真の大きさを倍率で割ります。岩石の名前は写真の上の大きさではなく、実物の粒径で決まるからです。8 ÷ 20 = 0.4 mm です。
2. 境目の値と比べます。1/16 mm は 0.0625 mm なので、0.0625 mm より大きく 2 mm より小さい 0.4 mm は砂にあたり、岩石名は砂岩です。
3. (2) は粒だけを集めた厚さを考えます。隙間が減っても粒そのものは減らないので、これが変わらない量になるからです。隙間以外の割合は 1 − 0.6 = 0.4 なので、粒だけの厚さは 100 × 0.4 = 40 m です。
4. 固まった後の層を式にします。その 40 m が層全体の 1 − 0.2 = 0.8 にあたるので、厚さは 40 ÷ 0.8 = 50 m です。粒の量は同じでも厚さは半分になるので、いま見える地層の厚さは、積もった当時のままではないと考える必要があります。

答え：(1) 0.4 mm、砂岩。(2) 50 m。

例題4　標本の手がかりから根拠を述べる

白っぽい岩石の標本 A・B・C がある。A は希塩酸をかけると泡を出し、鉄くぎで傷がついた。B は泡を出さず鉄くぎで傷がつかず、顕微鏡で放散虫の殻が見えた。C は細かい粒が角ばっていて、火山ガラスを多く含んでいた。それぞれの岩石名と分類を、根拠とともに述べなさい。

1. まず化学的な反応を手がかりにします。泡は炭酸カルシウムが酸と反応して出た二酸化炭素なので、A は石灰岩です。成分を直接示す手がかりは、最も強い根拠になるからです。
2. 次に硬さと化石を合わせて考えます。B の硬さは二酸化ケイ素でできていることを示し、放散虫の殻が見えることから、生物の遺骸が集まったチャートと判断できます。1 つの手がかりだけでは、別の硬い岩石の可能性が残るためです。
3. 最後に粒の形を見ます。C の角ばった粒と火山ガラスは、水に運ばれて丸くなった砂ではなく、火山灰が積もったことを示すので凝灰岩です。
4. 答案は「岩石名」「手がかり」「その手がかりが示すこと」の 3 つをそろえて書きます。岩石名だけでは、なぜそう判断したかが読み手に伝わらないからです。

答え：A は石灰岩（生物岩または化学岩）、B はチャート（生物岩）、C は凝灰岩（火山砕屑岩）。

まちがえやすいところと直し方

誤り1　風化の 2 種類を崩れ方の激しさで分ける

誤った書き方は「岩石が砂のようにぼろぼろになるのが化学的風化で、大きく割れるのが物理的風化である」です。どこが違うかというと、基準が見た目の細かさになっています。花こう岩が粒ごとにばらばらになっても、鉱物の種類が変わっていなければ物理的風化です。反対に、形がほとんど変わらないまま長石だけが粘土鉱物に変わっていれば、化学的風化が進んでいます。正しい書き方は「鉱物の種類が変わらずに割れるのが物理的風化、水と反応して溶けたり別の鉱物に変わったりするのが化学的風化である」です。

誤り2　砕屑岩の名前を成分で決める

誤った書き方は「石英の粒でできているから砂岩、粘土鉱物でできているから泥岩である」です。どこが違うかというと、砕屑岩を分ける基準は粒径であって成分ではありません。砂に石英が多いのは風化に強くて残りやすいという傾向にすぎず、2 mm を超える石英の粒が固まれば礫岩です。図3の物差しのように、境目は 2 mm と 1/16 mm の 2 つだけで、どちらも粒の大きさの値です。正しい書き方は「砕屑岩は粒径で分け、2 mm 以上が礫岩、1/16 mm から 2 mm までが砂岩、1/16 mm 以下が泥岩である」です。

分数の境目は、小数に直しておくと迷いません。1/16 mm は 0.0625 mm なので、テストで 0.05 mm と出されたら泥、0.1 mm と出されたら砂と判定できます。図3の軸も 1 目盛りごとに 10 倍になっていて、砂の幅が広く見えるのは対数の目盛りで描いているためです。

誤り3　凝灰岩を火成岩に、石灰岩を生物岩だけに入れる

誤った書き方は「凝灰岩は火山でできるので火成岩である。石灰岩はすべて生物の遺骸からできる」です。どこが違うかというと、火成岩はマグマが冷えて固まった岩石で、凝灰岩は降り積もった火山灰が続成作用で固まった岩石です。材料は火山から来ていても、でき方は堆積岩です。また図4のように、石灰岩とチャートは生物岩と化学岩の両方の行に入ります。図4は左から、分類の名前、材料、代表的な岩石を並べたものです。正しい書き方は「凝灰岩は火山砕屑物が堆積して固まった堆積岩である。石灰岩は生物の遺骸からできたものが多いが、水から沈殿してできたものもある」です。

用語のまとめ

練習問題

練習1　粒径が 0.03 mm、1 mm、5 mm の砕屑物がそれぞれ固まった岩石の名前を答えなさい。

練習2　次の (1)〜(3) にあてはまる岩石を、石灰岩・チャート・石炭・岩塩・凝灰岩から 1 つずつ選びなさい。(1) 放散虫の殻が集まった、非常に硬い岩石。(2) 陸上の植物の遺骸が埋もれて変化した岩石。(3) 海水や塩湖の水が蒸発して沈殿した岩石。

練習3　図2をもとに、流れが次第に遅くなるときに礫・砂・泥のどれから沈み始めるかを答え、河口から沖に向かって海底の堆積物の粒径がどう変わるかを説明しなさい。

練習4　厚さ 60 m の砂の層があり、隙間の割合は 50% である。続成作用で隙間の割合が 25% になった。粒の体積は変わらず、層は厚さの方向にだけ縮むものとして、固まった後の厚さを求めなさい。

答えと解説

練習1　順に泥岩、砂岩、礫岩です。0.03 mm は 1/16 mm（0.0625 mm）より小さいので泥、1 mm は 1/16 mm と 2 mm の間なので砂、5 mm は 2 mm より大きいので礫にあたります。

練習2　(1) チャート、(2) 石炭、(3) 岩塩です。チャートは二酸化ケイ素でできているため硬く、希塩酸では泡を出しません。石灰岩と迷ったら、材料の殻の成分を思い出してください。

練習3　礫、砂、泥の順に沈み始めます。図2の紺の曲線は粒が大きいほど高い位置にあり、流れが弱まると大きい粒から運ばれなくなるからです。そのため海底の堆積物は、岸に近いところに粗い粒が、沖に向かうほど細かい粒が積もり、粒径は小さくなっていきます。

練習4　40 m です。粒だけの厚さは 60 × (1 − 0.5) = 30 m で、固まった後はこれが層全体の 1 − 0.25 = 0.75 にあたるので、30 ÷ 0.75 = 40 m になります。

次の単元へのつながりと確かめ方

次の地層の読み方では、ここで学んだ粒と流れの関係がそのまま使われます。海底を流れ下る混濁流が広がるときに大きい粒から沈むことは地層の上下を知る手がかりになり、広い範囲に同時に降る火山灰からできた凝灰岩は、離れた地層を比べる目印になります。石灰岩のフズリナやチャートの放散虫は、続く化石と地質年代の単元で年代の手がかりとして再び登場します。

家で 5 分でできる確かめ方は 2 つです。1 つ目は、卵の殻か貝殻を小皿の食酢に入れ、泡が出てくるのを見ることです。炭酸カルシウムが酸と反応して二酸化炭素を出すという点で、石灰岩に希塩酸をかけたときと同じです。2 つ目は、白紙に 4 つの分類と粒径の 2 つの境目を何も見ずに書き、図3と図4で答え合わせをすることです。お子さまのそばで見守るなら、「その岩石の材料は何か」と 1 つたずねるだけでも確かめになります。個別指導では、岩石名を答えられても材料と粒径を説明できなければ、造岩鉱物の石英と長石の違いまで戻って確かめます。

まとめ

レシートの裏で止まっていた表は、粒の大きさと材料の 2 つを問い直せば埋まっていきます。砂岩の粒には砕けた山の道のりがあり、泥岩の細かさには沖の静かな水があり、石灰岩にはサンゴや貝が生きた海があり、凝灰岩には一度の噴火が空から降らせた灰があります。どの行に入るかは、石の来歴がすでに決めています。

道ばたの石は黙っていません。粒の丸みが運ばれた距離を、泡が昔の海を、今も白状しています。